CC BY
147
2010
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность
№ 151
УДК 629.735.3.001.26
ОБОБЩЕННЫЙ ПОДХОД К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧИ ФОРМИРОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ "СИСТЕМЫ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ, ПРЕДНАЗНАЧЕННОЙ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И НАЗЕМНЫХ ОБЪЕКТОВ"
В.Н. ЖУРАВЛЕВ, П.В. ЖУРАВЛЕВ Статья представлена доктором технических наук, профессором Ципенко В.Г.
Обосновывается необходимость подхода к проектированию беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) как элемента сложной системы и приводится общая методология реализации этого подхода. Предлагается классификация основных видов подсистем, входящих в сложную систему БПЛА. Приводится система соответствующих моделей, с помощью которых необходимо производить моделирование сложной системы БПЛА в процессе ее проектирования. В качестве примера использования предлагаемой методологии рассматривается задача проектирования сложной системы БПЛА, предназначенной для мониторинга окружающей среды и наземных объектов.
Ключевые слова: беспилотные летательные аппараты, сложная система, методология формирования и оптимизации проектирования.
Последние десятилетия развития авиационной техники характеризуются взрывообразным увеличением количества разрабатываемых беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Каждый год появляются десятки проектов новых БПЛА в разных странах. БПЛА проектируются, строятся и испытываются многими авиастроительными фирмами, научными центрами и университетами. Создаются БПЛА различных типов (самолеты, вертолеты, самолеты вертикального взлета и посадки, аэростатические ЛА) и конфигураций, различной размерности (с различным взлетным весом) и различного назначения (гражданские, военные), предназначенные для выполнения различных операций (разведка, наблюдение, целеуказание, ударные, сельскохозяйственные, мониторинг, поиск объектов, идентификация объектов и др.). Эти БПЛА оснащаются различной целевой аппаратурой и системами управления.
Несмотря на разнообразие созданных БПЛА, у подавляющего большинства из них имеется одна общая особенность: эти БПЛА "не идут в серию" (т.е. не выпускаются большими партиями). Причиной этого является то, что разработчики новых БПЛА уделяют значительное внимание созданию нового БПЛА как "летательного аппарата" и не рассматривают его как элемент сложной системы (системы БПЛА - СБПЛА), состоящей из БПЛА, бортового оборудования (в первую очередь целевого), систем управления (бортовых и наземных), систем запуска и посадки, обслуживания и др. [1] Таким образом, разработчики новых БПЛА не учитывают в полной (или хотя бы достаточной) мере тот факт, что создание одного (хотя бы и очень важного) элемента системы без учета и, желательно, оптимизации его функционирования в составе этой системы приводит к серьезным проблемам. Т. е. отдельно (без учета особенностей всей СБПЛА) разработанный БПЛА, зачастую, не обладает полным набором качеств, необходимых элементу СБПЛА. Поэтому новый БПЛА требует значительной доработки и переделки в процессе интеграции в СБПЛА, что ведет к ухудшению характеристик всей СБПЛА, значительному удлинению сроков разработки и удорожанию проектных работ и стоимости всей СБПЛА.
Несмотря на многообразие реальных ситуаций, в которых происходит разработка новых БПЛА, можно предложить некоторый универсальный методологический подход, необходимый для успешности не только процесса создания нового БПЛА, но и его "встраивания" в СБПЛА. При этом СБПЛА может быть создана или на базе нового БПЛА, или будет модернизирована для использования нового БПЛА в ее составе. Этот универсальный методологический подход
базируется на методах "Теории проектирования сложных систем", "Исследования операций", "Теории эффективности и внешнего проектирования авиационных комплексов". Далее этот подход излагается на примере разработки СБПЛА, предназначенной для мониторинга окружающей среды и наземных объектов.
СБПЛА, предназначенная для мониторинга окружающей среды и наземных объектов, представляет собой сложную систему и включает в себя (в общем случае) (рис. 1):
- БПЛА различных типов с соответствующим набором бортового оборудования (в том числе и целевого);
- системы связи, навигации и управления БПЛА;
- системы базирования и технического обслуживания БПЛА;
- системы обработки и отображения информации, получаемой с БПЛА;
- системы передачи обработанной информации потребителям и получения ответной информации (система обмена информацией с потребителями);
- транспортно-пусковую установку;
- средства спасения БПЛА;
- вспомогательные системы и службы.
Рис. 1. Структура системы БПЛА
Задачу формирования и оптимизации "Системы БПЛА, предназначенной для мониторинга окружающей среды и наземных объектов", необходимо решать как задачу проектирования сложной системы, используя системный подход.
Начальные шаги решения задачи формирования и оптимизации "Системы БПЛА, предназначенной для мониторинга окружающей среды и наземных объектов", можно представить как набор следующих более частных задач (подзадач) (задач проектирования подсистем, составляющих систему БПЛА), соответствующих сегментации СБПЛА на подсистемы.
1. Задача проектирования (и/или выбора из набора существующих элементов) и оптимизации БПЛА различных типов с соответствующим набором бортового оборудования (в том числе и целевого), включающая в себя следующие задачи:
- задача проектирования (и/или выбора из набора существующих элементов) и оптимизации (параметров и характеристик) БПЛА различных типов;
- задача проектирования (и/или выбора из набора существующих элементов) и оптимизации наборов бортового оборудования (в том числе и целевого).
2. Задача проектирования (и/или выбора из набора существующих элементов) и оптимизации системы связи, навигации и управления БПЛА. При этом возможно рассмотрение различных вариантов системы связи, навигации и управления БПЛА, элементы которых могут располагаться на:
- земле (стационарно или мобильно);
- воздушных носителях (беспилотных или пилотируемых) (бортовой комплекс);
- спутниках.
Кроме того, возможно рассмотрение следующих альтернативных вариантов наборов элементов системы связи, навигации и управления БПЛА:
- неавтоматизированная система управления (ручное командное управление);
- полуавтоматизированная система управления;
- полностью автоматизированная система управления.
При этом необходимо учитывать, что на БПЛА обычно ставятся комбинированные системы управления:
- автоматизированная для совершения полета по заданной программе;
- ручная для управления системами, обеспечивающими выполнение целей полетной миссии (управление целевой нагрузкой), а также для управления в чрезвычайной ситуации.
Также в системах управления обычно обеспечивается возможность корректировки выбранной программы полета.
При этом необходимо отметить, что система связи, навигации и управления БПЛА включает в себя:
- информационно-командную систему (ИНКОС);
- навигационную систему (НС);
- управляющий вычислительный комплекс с математическим обеспечением и т. д.
3. Задача проектирования (и/или выбора из набора существующих элементов) и оптимизации системы базирования и обслуживания БПЛА. При этом возможно рассмотрение различных вариантов системы базирования и обслуживания БПЛА, элементы которых могут быть:
- стационарными;
- частично или полностью мобильными.
4. Задача проектирования (и/или выбора из набора существующих элементов) и оптимизации системы обработки и отображения информации, получаемой с БПЛА. При этом возможно рассмотрение различных вариантов системы обработки информации, получаемой с БПЛА, которые могут быть:
- неавтоматизированными;
- частично автоматизированными;
- автоматизированными.
В частности, можно оптимизировать количество рабочих мест операторов, степень их унификации и режим работы (структуру рабочих мест, характеристики средств отображения информации и органов управления, расположенных на рабочих местах операторов пункта дистанционного управления).
5. Задача проектирования (и/или выбора из набора существующих элементов) и оптимизации системы передачи обработанной информации потребителям и получения ответной информации (системы обмена информацией с потребителями). При этом возможно рассмотрение различных вариантов системы обмена информацией с потребителями, которые могут быть:
- неавтоматизированными;
- частично автоматизированными;
- автоматизированными.
6. Задача проектирования (и/или выбора из набора существующих элементов) и оптимизации транспортно-пусковой установки для БПЛА. При этом возможно рассмотрение различных вариантов транспортно-пусковой установки, которые могут быть:
- предназначенными только для транспортировки и хранения БПЛА;
- предназначенными для транспортировки, старта и эвакуации БПЛА после посадки;
- предназначенными для транспортировки, старта БПЛА и эвакуации его после посадки и устранения незначительных повреждений БПЛА (с помощью состава возимого комплекта запасных инструментов и приспособлений) и т. д.
7. Задача проектирования (и/или выбора из набора существующих элементов) и оптимизации средств спасения БПЛА. При этом возможно рассмотрение различных вариантов средств спасения БПЛА, которые могут быть:
- обеспечивающими горизонтальную посадку БПЛА "по самолетной схеме" на подготовленную площадку с использованием или без использования аэрофинишера;
- обеспечивающими улавливание БПЛА, летящего по глиссаде, системой вертикальных и горизонтальных сетей;
- обеспечивающими приземление БПЛА с использованием бортовой парашютноамортизационной системы;
- обеспечивающими приземление БПЛА с использованием управляемого парашюта-крыла и шасси;
- обеспечивающими подхват вертолетом БПЛА, спускающегося на парашюте;
- обеспечивающими вертикальную посадку БПЛА и т.д.
8. Задача проектирования (и/или выбора из набора существующих элементов) и оптимизации вспомогательных систем и служб. При этом возможно рассмотрение различных вариантов подсистем, которые должны включать в себя:
- систему контроля и проверки;
- ремонтное оборудование;
- заправочные средства;
- расходные материалы;
- склады и т.п.
Решение задачи проектирования СБПЛА должно производиться с учетом вышеуказанной сегментации, и может быть разбито на ряд подзадач, каждая из которых решается отдельно для получения общего результата.
Необходимо отметить, что все вышеперечисленные задачи, вообще говоря, являются взаимосвязанными и обычно решаются совместно (в рамках задачи формирования и оптимизации СБПЛА). Однако также представляется возможным и целесообразным производить субоптимизацию отдельных подсистем СБПЛА (в ходе решения задач с номерами 1 - 8).
При этом каждая задача должна решаться, исходя из тех результатов, которые применение проектируемой СБПЛА даст при выполнении ряда целевых операций (например, при осуществлении мониторинга местности, поиска и идентификации объектов и т.п.).
Каждая из вышеописанных задач (задача проектирования СБПЛА и задачи проектирования подсистем) может рассматриваться и решаться с использованием системного подхода и методов теории внешнего проектирования авиационных комплексов. При этом для решения каждой задачи необходимо выбрать критерий, на основе которого будет производиться оптимизация (выбор из данного набора элементов или определение наборов и значений соответствующих параметров и характеристик). В совокупности все эти критерии будут представлять собой иерархическую систему критериев, которая будет описывать приоритеты и обеспечивать проектные решения на всех этапах решения поставленной задачи.
Для решения задачи проектирования СБПЛА необходимо разработать систему моделей функционирования (анализа) и проектирования (синтеза) СБПЛА и подсистем СБПЛА. Эти модели будут использоваться для расчета соответствующих критериев.
При проектировании СБПЛА и подсистем СБПЛА можно использовать как интегральные критерии, так и векторные критерии, используя Парето-множества [2].
Рассмотрим пример СБПЛА, предназначенной для мониторинга окружающей среды и наземных объектов (СБПЛА МОСНО) [3, 4]. СБПЛА МОСНО состоит из трех типов БПЛА, один из которых (предположительно) является статичным и осуществляет наблюдение из конкретной заданной точки, а два других могут перемещаться.
Приведем перечень задач, для решения которых предполагается использовать создаваемую СБПЛА МОСНО.
1. Обзор и патрулирование.
2. Поиск объектов.
3. Оценка ситуации при стихийных бедствиях и катастрофах, а также оценка их последствий.
4. Поиск нарушителей границы.
5. Мониторинг линий электропередач (возможно, и других протяженных объектов, например, линий трубопроводов).
Необходимо создать набор моделей (математических, полунатурных и натурных), которые бы давали возможность оценить различные варианты СБПЛА и ее подсистем. В частности, если выбран тип носителя - БПЛА, то необходимо создать модели, описывающие функционирование различных видов бортового оборудования и различные способы применения БПЛА с этим бортовым оборудованием.
Приведем примерный перечень основных моделей, необходимых для решения задачи проектирования СБПЛА МОСНО (рис. 2).
1. Модели функционирования целевого оборудования различного типа и бортовых подсистем.
2. Модели различных этапов полета БПЛА (для всех типов БПЛА, входящих в СБПЛА МОСНО).
3. Модель эксплуатации одного БПЛА (модель совершения единичного вылета или одной операции заданного типа). При моделировании единичного вылета или операции также учитывается взаимодействие этого БПЛА с наземным комплексом с помощью модели соответствующего уровня. Для моделирования операций различного типа необходимо разработать модели применения всех исследуемых типов БПЛА на всех типах планируемых операций.
4. Модель взаимодействия всех БПЛА одного типа, входящих в СБПЛА МОСНО. При моделировании взаимодействия всех БПЛА одного типа, входящих в СБПЛА, также учитывается взаимодействие этих БПЛА с наземным комплексом с помощью модели соответствующего уровня.
5. Модель взаимодействия всех БПЛА всех типов, входящих в СБПЛА. В процессе взаимодействия всех БПЛА всех типов, входящих в СБПЛА, также учитывается взаимодействие этих БПЛА с наземным комплексом с помощью модели соответствующего уровня.
6. Модель взаимодействия БПЛА с наземным комплексом (модель, отражающая функционирование самого наземного комплекса, в том числе стоимостная модель комплекса и модель, отражающая процесс взаимодействия БПЛА с наземным комплексом).
7. Модель функционирования системы связи, навигации и управления БПЛА.
8. Модели функционирования системы базирования и обслуживания БПЛА, входящих в СБПЛА.
9. Модель функционирования системы обработки и отображения информации, получаемой с БПЛА.
10. Модель функционирования системы обмена информацией с потребителями.
11. Модель функционирования всей СБПЛА МОСНО.
12. Модели расчета затрат на создание, модернизацию, приобретение и эксплуатацию (жизненный цикл) подсистем и всей СБПЛА МОСНО.
13. Модели проектирования подсистем и всей СБПЛА МОСНО (определение набора и значений параметров и характеристик и/или выбора из готового набора элементов).
14. Модели оптимизации подсистем и всей СБПЛА МОСНО.
Модели оптимизации подсистем и всей СБПЛА МОСНО
ТУ
Модели расчета затрат на создание, модернизацию, приобретение и эксплуатацию (жизненный цикл) подсистем и всей СБПЛА МОСНО
ТУ
Модели проектирования подсистем и всей СБПЛА МОСНО (определения набора и значений параметров и характеристик и/или выбора из готового набора элементов)
ТУ
Модель взаимодействия всех БПЛА всех типов, входящих в СБПЛА
1Г
Модель функционирования всей СБПЛА МОСНО
П 1Г '
Модель взаимодействия БПЛА с наземным комплексом
ж
Модель взаимодействия всех БПЛА одного типа, входящих в СБПЛА
tr
Модель эксплуатации одного БПЛА (модель совершения единичного вылета или одной операции заданного типа)
1Г
Модель функционирования системы связи, навигации и управления БПЛА
31
Модель функционирования системы обмена информацией с потребителями
Модели различных этапов полета БПЛА
tr ZZ
Модели функционирования системы базирования и обслуживания БПЛА
Модели функционирования целевого оборудования различного типа и бортовых подсистем
Ж
Модель функционирования системы обработки и отображения информации, получаемой с БПЛА
Рис. 2. Система основных моделей, необходимых для решения задачи проектирования СБПЛА МОСНО
Эффективность применения СБПЛА МОСНО на различных операциях может оцениваться с помощью различных показателей.
Для решения задач проектирования СБПЛА МОСНО можно применять следующие показатели, которые могут использоваться в качестве критериев или ограничений:
- показатель эффективности функционирования подсистем и/или всей СБПЛА МОСНО W;
- показатель стоимости создания и функционирования подсистем и/или всей СБПЛА МОСНО P.
Соответственно возможны три различных подхода к решению задач проектирования СБПЛА МОСНО:
1. Показатель эффективности функционирования подсистем и/или всей СБПЛА МОСНО W выбран в качестве критерия оптимизации при принятии проектных решений. В этом случае при оптимизации проектных решений накладываются ограничения на максимальное значение показателя стоимости создания и функционирования подсистем и/или всей СБПЛА МОСНО Pi, extr W, P < P1.
2. Показатель стоимости создания и функционирования подсистем и/или всей СБПЛА МОСНО P выбран в качестве критерия оптимизации при принятии проектных решений. В этом случае при оптимизации проектных решений накладываются ограничения на минимальное значение показателя эффективности функционирования подсистем и/или всей СБПЛА МОСНО Wi (в случае, если значение показателя эффективности функционирования системы возрастает с повышением качества выполнения операций) min P, W > W1.
3. Как показатель эффективности функционирования W, так и показатель стоимости создания и функционирования подсистем и/или всей СБПЛА МОСНО P выбраны в качестве критериев оптимизации при принятии проектных решений. В этом случае используются методы векторной оптимизации и, в частности, строится Парето-множество {W,P} [2].
Для иллюстрации предложенного подхода и выделения некоторых особенностей решения описанного выше класса задач рассмотрим пример постановки задачи проектирования СБПЛА, предназначенной для обзора, патрулирования и поиска объектов.
1. Задача проектирования СБПЛА, предназначенной для обзора, патрулирования и поиска объектов, может решаться тремя способами:
- минимизация значения критерия стоимости создания и функционирования СБПЛА (стоимости жизненного цикла) P при значении показателя вероятности обнаружения объекта (показателя эффективности функционирования СБПЛА) W не ниже заданного;
- максимизация значения критерия вероятности обнаружения объекта (показателя эффективности функционирования СБПЛА) W при условии ограничения максимального значения показателя стоимости создания и функционирования СБПЛА P;
- использование неулучшаемого множества (Парето-множества) значений критерия стоимости создания и функционирования СБПЛА и критерия вероятности обнаружения объекта (показателя эффективности функционирования СБПЛА) {W,P}.
2. Моделирование операции поиска объектов можно осуществлять, сопоставляя площади района поиска и зоны действия БПЛА, а также определяя частоты их пролета над той или иной территорией (частью территории).
3. Необходимо отметить, что значение показателя вероятности обнаружения объекта (показателя эффективности функционирования СБПЛА) W зависит от его заметности, а также от условий поиска. Следовательно, большую роль при оценке показателя вероятности обнаружения объекта играют тип бортового оборудования и показатели, характеризующие условия и способ применения БПЛА (условия и способ проведения операции) (высота и скорость полета, радиус действия, время предполетного и послеполетного обслуживания и т.п.).
4. При оценке затрат на создание системы обработки и отображения информации, получаемой с БПЛА, необходимо оценить целесообразность создания специализированного программного обеспечения (например, обеспечивающего поиск разрывов в линиях электропередач, в автоматическом или полуавтоматическом режиме).
Подобные подходы позволяют решать широкий класс задач проектирования систем многоцелевых беспилотных летательных аппаратов. Необходимо отметить, что в настоящее время в среде отечественных разработчиков и потенциальных эксплуатантов БПЛА сформировалось определенное понимание необходимости осуществления системного интегрирования производимых аппаратов в комплексы (системы БПЛА). Эти тенденции послужили основой принятия программ правительства РФ по консолидации разработок в области БПЛА. Однако, несмотря на общее понимание проблемы, существенные результаты ее решения пока что по большей части являются делом будущего.
ЛИТЕРАТУРА
1. Основы устройства, проектирования, конструирования и производства летательных аппаратов (дистанционно-пилотируемые летательные аппараты) / под ред. И.С. Голубева и Ю.И. Янкевича - М. : МАИ, 2006.
2. Журавлев В.Н., Орлов В.В., Хохлов Ю.В. Метод оценки эффективности летательного аппарата как элемента службы морской охраны // "Полет". - М.: Машиностроение, 2002. - № 1.
3. Chiesa Sergio, Viola Nicole, Farfaglia Salvatore. The SAvE Program: A Technical Challenge, An Interesting Opportunity For Education. Presentation on European Workshop on Aircraft Design Education 2009 (EWADE 2009). 12-15 May 2009. (Published on website: AircraftDesign.org).
4. Maddaluno Stefania. SMAT Project: Advanced Environment Monitoring System (based on Unmanned Air Systems). Presentation on European Workshop on Aircraft Design Education 2009 (EWADE 2009). 12-15 May 2009. (Published on website: AircraftDesign.org).
GENERAL APPROACH TO THE SOLUTION OF TASK OF CREATION AND OPTIMIZATION OF A "SYSTEM OF UNMANNED AERIAL VEHICLES, WHICH IS INTENDED FOR MONITORING THE SURROUNDING ENVIRONMENT AND SURFACE OBJECTS"
Zhuravlev V.N., Zhuravlev P.V.
The article substantiates the necessity of designing UAV as a part of a complex system. The general method for such approach is proposed. The main subsystems of the complex UAV system are sorted out. After that a system of the appropriate models is introduced for modeling the complex UAV system during its design. The application of the proposed methodology is considered on the example of a problem of designing a complex UAV system for monitoring the surrounding environment and surface objects.
Сведения об авторах
Журавлев Владимир Николаевич, 1955 г.р., окончил МАИ им. С. Орджоникидзе (1978), доцент кафедры внешнего проектирования и эффективности авиационных комплексов МАИ (ГТУ), автор 90 научных работ, область научных интересов - проектирование, внешнее проектирование и эффективность летательных аппаратов и авиационных комплексов.
Журавлев Павел Владимирович, 1982 г.р., окончил МАИ (ГТУ) (2004), ассистент кафедры внешнего проектирования и эффективности авиационных комплексов МАИ (ГТУ), автор 5 научных работ, область научных интересов - эффективность сложных систем, проектирование авиационных комплексов, математическое моделирование, системный анализ.
